Реферат: Конечные разности. Погрешности

Если в выражении для g (i+n ) положить i =0 и вместо подставить их факториальные представления, то после несложных преобразований получится разложение функции целочисленного аргумента по многочленам , которые в литературе называют факториальными:

.

Можно поставить задачу разложения и функции действительной переменной f (x ) по многочленам относительно начала координат (аналогично ряду Маклорена), т.е. . Если последовательно находить конечные разности от левой и правой частей, то, зная, что и , после подстановки x =0 будем получать выражения для коэффициентов разложения . У многочленов k -той степени, , поэтому

.

Такое разложение табличной функции f (x ) в литературе называют интерполяционным многочленом Ньютона для равных интервалов.

2.3 Взаимосвязь операторов разности и дифференцирования

Значение функции на удалении h от некоторой точки можно выразить через значения производных в этой точке, разложив ее в ряд Тейлора:

где – оператор дифференцирования,

– оператор сдвига, выраженный через оператор p .

h – шаг по оси действительной переменной

Из равенства операторов сдвига, выраженных через p и , можно получить взаимосвязь этих линейных операторов:

,

Оператор дифференцирования порядка n , перенесенный в точку, удаленную от текущей, например, на 2 шага вперед представляется так:

.

Выполнив алгебраическое перемножение многочленов с конечно-разностными операторами и ограничившись операторами со степенью не выше n , получим одну из возможных аппроксимаций оператора дифференцирования. Действуя таким сложным конечно-разностным оператором на ординату f (x ), получаем формулу для вычисления n -й производной в точке по значениям ее конечных разностей. Например, для n =2, отбрасывая все повторные разности выше третьего порядка, получим:

.

Если f (x ) является многочленом степени n , то повторные разности (n +1) – го порядка тождественно равны нулю. Приравнивая нулю повторные разности порядков выше n мы фактически аппроксимируем f (x ) многочленом степени n .

В предыдущем выражении, выразив повторные разности через ординаты табличной функции, получим еще один вид формулы для вычисления значения производной:

.

Для целочисленного аргумента табличной функции запись выражения можно упростить, если положить h =1 и

2.4 Исчисление конечных разностей

Разложение функций в ряд по факториальным многочленам (интерполяционным многочленам Ньютона в частности) дает возможность получать формулы суммирования функциональных рядов в виде аналитических выражений, зависящих от пределов. Эта возможность открывается в связи с тем, что суммировать конечные разности не представляет большой сложности, а выразить конечную разность от факториального многочлена через факториальный же многочлен можно, воспользовавшись соотношением:

Факториальные многочлены по отношению к исчислению разностей ведут себя так же, как степенные функции в исчислении производных: дифференцирование тоже понижает степень многочлена на единицу. Это свойство позволяет в факториальном разложении заменить факториальные многочлены своими конечными разностями следующего вида:

Замена хороша тем, что суммирование конечных разностей в заданных пределах мнемонически весьма напоминает вычисление определенного интеграла от функции по ее первообразной: